chap4-1經(jīng)典力學時空觀

物理書都充滿了復雜的數(shù)學公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理論的開端。

－－愛因斯坦（1879—1955）《物理學的進化》比較廣義相對論時空觀實驗檢驗伽利略變換洛侖茲變換絕對時空觀狹義相對論時空觀相對論動力學基礎力學相對性原理狹義相對性原理光速不變原理對稱性擴展廣義相對性原理等效原理對稱性擴展結構框圖學時：狹義相對論8

廣義相對論簡介2難點：重點：狹義相對論的兩條基本原理洛侖茲坐標變換狹義相對論時空觀（“同時”的相對性、鐘慢尺縮）質(zhì)速關系，質(zhì)能關系，能量與動量關系狹義相對論時空觀廣義相對論的兩條基本原理時空的幾何化，空間彎曲前言：相對論產(chǎn)生的歷史背景和物理基礎經(jīng)典物理：伽利略時期——19世紀末經(jīng)過300年發(fā)展，到達全盛的“黃金時代”形成三大理論體系1.機械運動：以牛頓定律和萬有引力定律為基礎的經(jīng)典力學2.電磁運動：以麥克斯韋方程組為基礎的經(jīng)典電磁學3.熱運動：以熱力學定律為基礎的宏觀理論(熱力學)

以分子運動為基礎的微觀理論(統(tǒng)計物理學)物理學家感到自豪而滿足，兩個事例：

在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。也就是在測量數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面添加幾位有效數(shù)字而已。

——開爾芬（1899年除夕）

理論物理實際上已經(jīng)完成了，所有的微分方程都已經(jīng)解出，青年人不值得選擇一種將來不會有任何發(fā)展的事去做。

——約利致普朗克的信三大發(fā)現(xiàn)：1.電子：1894年，英國，湯姆孫

(因氣體導電理論獲1906年諾貝爾物理獎)2.X射線：1895年，德國，倫琴

1901年獲第一個諾貝爾物理獎3.放射性：1896年，法國，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾，居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳，共同獲得1903年諾貝爾物理獎物理學還存在許多未知領域，有廣闊的發(fā)展前景。兩朵烏云：1.邁克爾孫—

莫雷實驗的“零結果”2.黑體輻射的“紫外災難”實驗結果與理論不符相對論的思想基礎：對稱性觀念物理規(guī)律不因人（參考系）而異，參考系變換應該是物理定律的對稱操作。一切慣性系對物理定律等價——

狹義相對論慣性系和非慣性系對物理定律等價——

廣義相對論愛因斯坦簡介AlbertEinstein(1879.3.14-1955.4.18)德國猶太人，3歲才會說話1891年自學幾何1895年自學微積分；參加瑞士蘇黎士工業(yè)大學入學考試，語言、生物未過，沒考上1896年考入蘇黎士工業(yè)大學物理系，學的是師范1900年畢業(yè)，申請在母校做助教和中學教員的要求沒有得到滿足1901年2月21，取得瑞士籍1902年6月，在大學同學格羅斯曼父親的幫助下被伯爾尼瑞士專利局臨時錄用為三級技術員1903年與大學時代女友結婚1904年9月轉正1905年是他人生大豐收的一年：①3月17日《關于光的產(chǎn)生和轉化的一啟發(fā)性觀點》獲1921年諾貝爾物理學獎②4月《分子大小的新測定法》，博士論文，獲母校博士學位③5月《處理懸浮在流體中的粒子的不規(guī)則運動》④6月《論動體的電動力學》⑤9月《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》E=mc2

核物理和粒子物理學的理論基礎⑥12月《關于布朗運動的理論》年僅26歲的他在不到一年時間里，在量子論、相對論、分子運動論三個不同領域作了四項劃時代意義的貢獻。特別是他不在學術機關工作，完全靠業(yè)余時間進行研究，得不到任何物理學家的指導，簡直是人類科學史上的一個奇跡。1906年4月晉升為二級專家1909年秋，辭職任母校理論物理學副教授1912年教授，把光量子用于光化學現(xiàn)象，建立了光化學定律1913年任柏林威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學教授1915年創(chuàng)立廣義相對論，把幾何學與物理學統(tǒng)一起來1916年發(fā)表一篇總結量子論發(fā)展的論文，把量子論同統(tǒng)計原理結合起來，并提出受激輻射理論，被譽為“激光之父”1917年，《根據(jù)廣義相對論對于宇宙學所作的考察》提出了一個有限無界的宇宙模型，是現(xiàn)代宇宙學的開創(chuàng)性文獻1924年，同印度物理學家玻色合作建立了玻色-愛因斯坦統(tǒng)計1933年10月，由于二戰(zhàn)，遷居美國，受聘美國普林斯頓研究所教授。曾任美國總統(tǒng)的科學顧問綜觀他的一生，在狹義相對論、廣義相對論、量子論、分子運動論、宇宙學、統(tǒng)一場論，六個領域都作出了巨大貢獻，其中四個領域是開創(chuàng)者，是20世紀最偉大的科學家。一、伽利略變換K系系K系和K'系坐標軸相互平行,當O

和O'重合時，令t=t'=0K'系相對于K系沿+x

方向以速率

v勻速運動，§4.1力學相對性原理經(jīng)典力學時空觀K系

系坐標變換：或

坐標變換分量式：正變換逆變換速度變換：速度變換分量式：正變換逆變換加速度變換公式

在兩相互作勻速直線運動的慣性系中，牛頓運動定律具有相同的形式.二.力學相對性原理力學定律在一切慣性系中數(shù)學形式不變。理解：

體現(xiàn)對稱性思想——

對于描述力學規(guī)律而言，一切慣性系彼此等價。

在一個慣性系中所做的任何力學實驗，都不能判斷該慣性系相對于其它慣性系的運動。伽利略對勻速直線運動船艙內(nèi)現(xiàn)象生動描述一個參考系的描述另一參考系的描述變換或操作不同慣性系中的觀察者所觀測到的具體力學現(xiàn)象可以不同，但所觀測到的力學規(guī)律相同物理實在物理實在的結構經(jīng)典力學規(guī)律具有伽利略變換不變性，伽利略變換是經(jīng)典力學的對稱操作。伽利略變換中已經(jīng)隱含了時空觀念三、絕對時空觀1.時間：用以表征物質(zhì)存在的持續(xù)性，物質(zhì)運動、變化的階段性和順序性。2.空間：用以表征物質(zhì)及其運動的廣延性3.絕對時空觀

時間間隔、空間距離的測量與參考系的選擇無關。

時間、空間彼此獨立，而且與物質(zhì)、運動無關。先驗框架坐標變換：四、伽利略變換的困難1.速度合成率的問題（1）兩位同學玩排球球投出前結果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.

試計算球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達到觀察者所需要的時間.(根據(jù)伽利略變換)球投出后宋朝宋仁宗1054年（北宋至和元年）五月一次著名的超新星爆發(fā)，前23天非常亮，白天可見，隨后變暗，直到嘉佑元年（1056年3月）才看不見，歷時22個月。這次爆發(fā)的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云。物質(zhì)飛散速度l=5000

光年AB當一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時,它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散,即有些拋射物向著地球運動，現(xiàn)研究超新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問。（2）超新星爆發(fā)理論計算觀察到超新性爆發(fā)的強光的時間持續(xù)約

A

點光線到達地球所需時間B

點光線到達地球所需時間2.伽利略變換不是經(jīng)典電磁定律的對稱操作

因速度與參考系有關，所以經(jīng)伽利略變換后洛侖茲力將發(fā)生變化，經(jīng)典電磁定律不具有伽利略變換的不變性。（1）帶電粒子受力：洛侖茲力電場力洛侖茲力：垂直于決定的平面q(2)Maxwellequations按照舊理論，電磁學只在一個特殊參考系中成立3.加速器加速粒子達不到c電子荷質(zhì)比e/m與速度有關，e與速度無關，m與v有關相對性原理的普遍性（對稱性）伽利略變換（經(jīng)典力學）電磁學定律三者無法協(xié)調(diào)4.解決困難的途徑：方案一：否定相對性原理的普遍性，承認慣性系對電磁學定律不等價，尋找電磁學定律在其中成立的特殊慣性系。方案二：重新定位伽利略變換，改造經(jīng)典力學，尋求對電磁理論和改造后的力學定律均為對稱操作的“新變換”。方案一的嘗試：尋求特殊慣性系“以太”（邁克爾遜-莫雷實驗）大海中輪船激起波浪的速度只與洋流的速度有關，而與輪船的速度無關類比：也許光在某種“海洋”中傳播，它的速度只取決于“海洋”的性質(zhì)，同光源的速度無關，“海洋”叫做以太，地球相當于輪船假設：“以太”充滿整個宇宙，起著光傳播媒介的作用，我們看不見，也不能用其他方式感知它，有極大的剛性，使光速高達3×108m/s同時又要求它對運動物體不施加任何阻力，相對于以太的運動成為“絕對”運動在以太參考系K系：光沿各個方向的速率均為c，設地球相對以太以v運動在地球參考系K'系：沿v方向傳播的光速為c-v，逆著v方向的光速為c+v，垂直v方向的光速為但光速很大，即使不同方向的光速是不同的，我們很難測量出來，該實驗的巧妙之處不在于測量不同方向的光速值，而是測量不同方向的光速之差。在地球上應存在“以太”風，類似人在雨中跑感覺有風

邁克爾孫干涉儀M2M1M2'G2G1單色光源反射鏡1反射鏡2補償玻璃板半透明鍍銀層12以太風

邁克爾孫-莫雷實驗目的：檢測“以太風”以太風由伽利略變換光對儀器儀器對以太光對以太將裝置轉動90度干涉條紋應移動：反復實驗，“零結果”只能選方案二愛因斯坦的選擇來自堅定的信念：

自然的設計是對稱的，不僅力學規(guī)律在所有的慣性系中有相同的數(shù)學形式，所有的物理規(guī)律都應與慣性系的選擇無關。實驗結果說明，在所有慣性系中，真空中的光速恒為c，伽利略變換以及導致伽利略變換的牛頓絕對時空觀有問題，必須尋找新的變換，建立新的時空觀?！皭垡蛩固拱逊椒ǖ沽诉^來，他不是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是存在的，而是把協(xié)變性應當存在這一點作為假設提出來，并且用它演繹出方程組應有的形式?！?/p>

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洛侖茲（荷蘭.1853－1928）“我尊敬的邁克爾孫博士，您開